KR20140022250A - 원형 강관 댐퍼 - Google Patents

원형 강관 댐퍼 Download PDF

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KR20140022250A
KR20140022250A KR1020120088618A KR20120088618A KR20140022250A KR 20140022250 A KR20140022250 A KR 20140022250A KR 1020120088618 A KR1020120088618 A KR 1020120088618A KR 20120088618 A KR20120088618 A KR 20120088618A KR 20140022250 A KR20140022250 A KR 20140022250A
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최재혁
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조선대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 원통형의 강관을 이용하여 제진 기능을 갖도록 형성된 원형 강관 댐퍼에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원형 강관 댐퍼는 건축구조물의 상부 또는 건축구조물의 상부로부터 연장되는 댐핑로드에 지지되는 상부캡과, 상기 상부캡과 소정거리 이격되도록 상기 건축구조물의 하부 또는 건축구조물의 하부로부터 연장되는 댐핑로드에 지지되는 하부소켓과, 상단이 상기 상부캡에 형성된 삽입홈에 끼움결합되고, 하단이 상기 하부소켓에 고정결합되는 원통형의 강관부재를 구비한다.
본 발명에 따른 원형 강관 댐퍼는 설치와 교체가 용이하며, 간단한 구조로서 제작비용이 절감되어 저비용 고효율의 내진 설계가 가능하게 되는 이점이 있다.

Description

원형 강관 댐퍼 {Circular Steel Pipe Damper}
본 발명은 원형 강관 댐퍼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원통형의 강관을 이용하여 제진 기능을 갖도록 형성된 원형 강관 댐퍼에 관한 것이다.
최근 전 세계적으로 지진의 발생 빈도 및 그 규모가 증가하는 추세에 있다. 이러한 지진이 발생하면 건축구조물은 부재가 수평방향의 외력을 받는 경우에, 비틀림 또는 유사한 수평 이동이 일어난다. 특히 건축구조물 또는 타워에서 발생되는 비틀림은 구조물의 상태에 심각한 충격을 줄 수 있으며, 심지어 구조물의 붕괴를 초래할 수도 있다.
따라서 건축구조물에 가해지는 외력에 대한 내진 성능을 높이기 위한 다양한 내진 보강공법이 개발 및 사용되고 있다.
국내외에서 기존에 사용되고 있는 건축구조물의 내진 보강공법으로서 유압댐퍼를 이용한 내진보강공법, 원형 강관 댐퍼를 이용한 내진보강공법, 강재댐퍼를 이용한 내진보강공법 등이 사용되고 있다.
기존 기술 중 유압댐퍼를 이용한 내진보강공법은 대지진이 전국적으로 빈번하게 발생하고 있는 일본에서 주로 사용되고 있는 기술로서 외관적 환경이 거칠지 않도록 디자인이 비교적 개선되었고, 내진 보강성능이 뛰어나지만 국내 환경적 요인을 고려할 경우 시공비가 과다하게 필요하고, 국내의 지진 빈도 또는 진도로 보아 불필요할 정도로 과다 보강이 될 우려가 있다.
강재댐퍼를 이용한 내진 보강공법은 국내외에서 개발되어 근래 사용되고 있는 기술로서 비교적 시공비가 저렴하다고 할 수 있으나 주로 철골 구조물 보강용으로 개발되어 있는 실정이고, 또한 기존 강재댐퍼의 구조적 인 문제점으로서 이를 사용한 내진 보강 구조물의 경우 창과 출입구 등의 사용이 불편할 정도로 제한되고, 제품의 외관이 거칠어 구조물의 미감을 저해함은 물론 정서적 불안감을 유발하고, 철골 구조에 비하여 상대적으로 변형량이 적은 RC구조물의 내진보강에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
따라서 합리적인 비용으로 최적의 내진 효과를 거둘 수 있는 새로운 내진보강 장치 및 공법의 필요성이 있다.
등록특허 10-0908863 ; 왕복식 슬릿강재 댐퍼 등록특허 10-1142802 ; 내진강재댐퍼 등록특허 10-0908864 ; 하중전달판과 슬릿강판을 이용한 강재댐퍼 등록특허 10-1052916 ; 왕복식 코일형강재 댐퍼
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 구조가 간단하면서도 제진 효율을 높일 수 있도록 원형 강관을 이용한 원형 강관 댐퍼를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원형 강관 댐퍼는 건축구조물의 상부 또는 건축구조물의 상부로부터 연장되는 댐핑로드에 지지되는 상부캡과, 상기 상부캡과 소정거리 이격되도록 상기 건축구조물의 하부 또는 건축구조물의 하부로부터 연장되는 댐핑로드에 지지되는 하부소켓과, 상단이 상기 상부캡에 형성된 삽입홈에 끼움결합되고, 하단이 상기 하부소켓에 고정결합되는 원통형의 강관부재를 구비한다.
상기 상부캡은 상기 건축구조물의 상부 또는 건축구조물의 상부로부터 연장되는 댐핑로드에 연결되는 연결브라켓에 결합되는 제1 지지플레이트와, 상기 제1 지지플레이트로부터 하방으로 돌출 형성되며 상기 삽입홈이 형성되어 있는 상부고정부재를 포함하고, 상기 하부소켓은 상기 건축구조물의 하부 또는 건축구조물의 하부로부터 연장되는 댐핑로드와 연결되는 연결브라켓에 결합되는 제2 지지플레이트와, 상기 제2 지지플레이트로부터 상방으로 돌출형성되는 하부고정부재를 구비하며, 상기 하부고정부재는 상단으로부터 하방으로 인입되어 상기 강관부재의 하부가 삽입되는 고정홈이 형성되되, 상기 고정홈의 하단부에는 상기 강관부재가 나사결합될 수 있도록 나사산이 형성되어 있고, 상기 강관부재는 상기 고정홈의 하단에 나사결합되도록 하단부에 나사결합부가 형성된 것이 바람직하다.
상기 강관부재는 상기 상부고정부재의 삽입홈으로 삽입되는 상측삽입부와, 상기 하부고정부재의 고정홈으로 삽입되고 하단부에 상기 나사결합부가 연결되는 하측삽입부와, 상기 상측삽입부와 하측삽입부를 연결하며 상기 상부캡과 하부소켓 사이에 노출되는 노출부를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 강관부재는 외경과 상기 상부캡과 하부소켓 사이에 노출되는 노출부의 길이의 비가
Figure pat00001
인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 원형 강관 댐퍼는 설치와 교체가 용이하며, 간단한 구조로서 제작비용이 절감되어 저비용 고효율의 내진 설계가 가능하게 되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 원형 강관 댐퍼의 설치상태의 일 실시예를 도시한 정면도,
도 2 내지 도 5는 원형 강관 댐퍼의 의 설치상태의 다른 실시예들을 도시한 정면도,
도 6은 본 발명에 따른 원형 강관 댐퍼의 바람직한 일 실시예를 도시한 사시도,
도 7은 도 6의 원형 강관 댐퍼의 분리사시도,
도 8은 도 6의 원형 강관 댐퍼의 단면도,
도 9는 댐핑로드와 연결되는 연결부가 원형으로 형성된 원형 강관 댐퍼의 다른 실시예를 도시한 사시도,
도 10은 도 6의 원형 강관 댐퍼에 전단력이 작용할 때의 거동 상태를 도시한 단면도,
도 11은 원통형 강관부재의 휨 항복강도와 전단 항복강도 및 초기강성 예측식을 산출하기 위한 하중조건을 도시한 도면,
도 12는 도 11의 원통형 강관부재의 횡방향 단면을 도시한 도면,
도 13은 도 11의 원통형 강관부재의 종방향 단면의 전단응력 분포를 도시한 도면,
도 14는 원통형 강관부재의 변형,강성 예측식을 도출하기 위한 휨 응력과 전단응력의 분포 관계를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 원형 강관 댐퍼를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1에는 원형 강관 댐퍼(100)가 건축구조물(10)에 설치되는 일 실시예가 도시되어 있다.
도시된 것처럼, 건축구조물(10)에는 철골 프레임이 설치되어 있으며, 철골프레임(20)의 하부 중앙에 본 발명의 원형 강관 댐퍼(100)가 장착된다. 그리고 원형 강관 댐퍼(100)는 철골프레임(20)의 상부 양단에 각각 지지되어 있는 댐핑로드(30)들에 지지되어 있다.
지진 또는 강풍과 같은 외부요인에 의해 건축구조물(10)에 외력이 가해지면, 프레임 및 댐핑로드(30)에 하단과 상단이 각각 결합되어 있는 원형 강관 댐퍼(100)가 전단력을 받으면서 외력을 감쇄시켜 건축구조물(10)에 가해지는 피해를 최소화한다.
도 2에는 원형 강관 댐퍼(100)의 다른 설치 실시예가 도시되어 있는데, 도시된 것처럼, 프레임의 네 귀퉁이에 각각 지지되어 있는 네 개의 댐핑로드(30)들에 의해 원형 강관 댐퍼(100)의 상부와 하부가 각각 지지되는 형태로 형성될 수도 있다.
이 외에도 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 것처럼, 철골프레임(20) 없이 건축구조물(10)에 원형 강관 댐퍼(100)와 댐핑로드(30)들이 직접 지지되도록 설치되는 것도 가능하며, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 건축구조물(10)에 수직방향의 보조기둥(50)을 설치하고, 보조기둥(50)의 중간에 원형 강관 댐퍼(100)를 설치할 수도 있다.
이렇게 본 발명의 원형 강관 댐퍼(100)는 다양한 형태로 설치가 가능하며, 진동이나 강풍과 같은 외부요인에 의해 가해지는 횡방향 외력에 대하여 전단변형이 이루어지면서 외력을 감쇄시켜 건축구조물(10)에 발생하는 피해를 최소화한다.
도 6 내지 도 8에는 원형 강관 댐퍼(100)의 바람직한 일 실시예가 도시되어 있다.
이하에서는 도 1의 설치 실시예를 기초로 본 발명의 원형 강관 댐퍼(100)를 설명한다.
본 실시예의 원형 강관 댐퍼(100)는 원통형의 강관부재(130)와, 상기 강관부재(130)의 상부에 연결되고 댐핑로드(30)에 연결되는 연결브라켓(40)에 지지되는 상부캡(110)과, 철골프레임(20)에 고정되고 상기 강관부재(130)의 하부를 지지하는 하부소켓(120)을 구비한다.
상부캡(110)은 댐핑로드(30)를 연결하는 연결브라켓(40)의 하면에 결합되는 제1 지지플레이트(111)와, 제1 지지플레이트(111)의 하면으로부터 하방으로 돌출된 상부고정부재(113)를 포함한다.
제1 지지플레이트(111)에는 연결브라켓(40)과 볼트에 의해 결합될 수 있도록 다수의 볼팅홀(112)이 가장자리를 따라 상호 이격되도록 형성되어 있으며, 상부고정부재(113)는 하방으로 개구된 삽입홈(114)이 하면으로부터 상방으로 소정길이 인입되도록 형성되어 있다. 상기 삽입홈(114)에는 후술하는 강관부재(130)가 끼워지므로 삽입홈(114)의 직경은 강관부재(130)가 끼워질 수 있는 크기로 형성된다.
상기 하부소켓(120)은 철골프레임(20)에 고정되어 강관부재(130)의 하부를 지지하는 것으로서, 철골프레임(20)에 고정되는 제2 지지플레이트(121)와, 제2 지지플레이트(121)로부터 상방으로 연장된 하부고정부재(122)를 포함한다.
하부고정부재(122)의 상면에는 하방으로 상기 강관부재(130)가 삽입되는 고정홈(123)이 형성되어 있으며, 특히 이 고정홈(123)은 제2 지지플레이트(121)를 관통하도록 연장되어 있다. 그리고 제2 지지플레이트(121)를 관통하는 고정홈(123)의 내주면에는 나사산이 형성되어 있다.
상기 강관부재(130)는 상부와 하부가 각각 상부캡(110) 및 하부소켓(120)에 고정되는 원통형의 강관이다. 강관부재(130)는 상부캡(110)의 상부고정부재(113)에 삽입되는 상측삽입부(131)와, 하부소캣의 하부고정부재(122)에 삽입되는 하측삽입부(132)와, 하측삽입부(132)의 하부에 형성되며 상기 고정홈(123)의 나사산에 나사결합되는 나사결합부(133)와, 상측삽입부(131)와 하측삽입부(132) 사이의 노출부(134)를 구비한다.
상기 상측삽입부(131)는 상부고정부재(113)의 삽입홈(114)으로 삽입되지만 상측삽입부(131)가 상부캡(110)에 완전히 고정되지는 않는다.
상기 나사결합부(133)는 하부고정부재(122)의 고정홈(123)을 통해 삽입되며, 고정홈(123) 하단에 형성되어 있는 나사산에 나사결합된다. 그리고 하측삽입부(132)는 하부고정부재(122)의 내측에 위치하게 된다.
상기 노출부(134)는 상부고정부재(113)로 삽입된 상측삽입부(131)와 하부고정부재(122)로 삽입된 하측삽입부(132) 사이에 위치하는 것으로 상부캡(110)과 하부소켓(120) 사이에 노출되는 노출부(134)분에 해당한다.
지진 또는 강풍과 같은 외력에 의해 건축구조물(10)이 횡방향으로 힘을 받게 되면, 상측고정부의 내주면이 상측삽입부(131)의 외주면과 일측과 접촉하게 되고, 하측고정부의 내주면과 하측삽입부(132)의 외주면 일측이 접촉하여 전단력을 받게 된다. 즉, 상기 강관부재(130)를 중심으로 보면 외력이 인가될 때 노출부(134)를 중심으로 상측과 하측이 상호 반대되는 방향으로 힘을 받게 되는 것이다.
상기 강관부재(130)의 직경을 d, 노출부(134)의 상하 길이를 h라 하면,
Figure pat00002
가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같은 직경과 길이의 비는 원통형인 강관부재(130)를 제진 댐퍼로 사용하기 위해 원통형 강관부재(130)의 역학특성을 조사하기 위해 휨 항복강도, 전단 항복강도, 초기강성 예측식을 유도하는 과정에서 산출된 것이다.
아울러 도 11 내지 도 14에 사용된 기호가 가리키는 것은 다음과 같다.
Q ; 전단력
M ; 휨 모멘트
I ; 단면 2차 모멘트
σ ; 휨 응력
τ ; 전단 응력
δ ; 변형
D ; 강관부재(130) 직경
L ; 강관부재(130) 노출부(134)의 길이
γ ; 전단변형각
G ; 전단탄성계수
도 11 및 도 12에 도시된 하중조건과 휨 응력분포도를 기초로 휨 항복강도를 예측하는 예측식을 구하면 다음과 같다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
에서 이다.
도 13과 같이
Figure pat00009
와
Figure pat00010
의 균형조건을 고려한다.
Figure pat00011
Figure pat00012
＜＝＞
Figure pat00013
여기서
Figure pat00014
이므로
Figure pat00015
인 경우 휨 항복과 전단 항복이 동시에 발생하게 된다.
이를 기초로 도 14와 같이 노출부(134)의 길이 L(2l), 직경 D(2r)의 본 실시예와 같은 원통형 강관부재(130)에 적용하는 하여 초기강성, 휨 변형 탄성한계, 전단변형 탄성한계 및 탄성 한계 내력을 도출한다.
- 초기강성
Figure pat00016
- 휨 변형 탄성한계
Figure pat00017
,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
- 전단 변형 탄성한계
Figure pat00020
Figure pat00021
- 탄성 한계 내력
휨에 대한 식
Figure pat00022
전단에 대한 식
Figure pat00023
휨에 대한 식에서
Figure pat00024
인 경우, 휨과 전단 응력에 대한 탄성 한계 내력이 일치한다.
따라서 강관부재(130)의 직경(d)과 노출부(134)의 길이(h)의 비를
Figure pat00025
로 할 때, 전단변형과 휨변형의 탄성한계가 동일하므로 가장 이상적인 길이의 비가 된다.
아울러 상기 상부캡(110)과 하부소켓(120)의 제1, 제2 지지플레이트(111,121)는 도 9에 도시된 것처럼 연결브라켓(40)과 철골프레임(20)의 결합구조에 따라 원판형으로 형성될 수도 있다.
본 실시예의 원형 강관 댐퍼(100)는 도 10에 도시된 것처럼 강관부재(130)의 하단은 하부소켓(120)에 나사결합을 통해 고정되고, 상단은 상부캡(110)의 상부고정부재(113)의 삽입홈(114)으로 단순 삽입될 뿐 고정되지는 않기 때문에 횡방향 외력이 작용하게 되면 강관부재(130)의 상단이 상부고정부재(113)로부터 인출되는 방향으로 소정길이 빠져나오게 된다. 만약 강관부재(130)가 상부캡(110)에 용접 등의 방법으로 고정결합되어 있으면 건축구조물(10)에 횡방향의 힘이 작용하여 강관부재(130)의 상단과 하단이 상호 반대방향으로 힘을 받게 되는 경우 강관부재(130)의 상단과 하단이 각각 고정된 고정위치 사이의 거리가 늘어나면서 강관부재(130)가 인장력을 받게 되고, 이러한 인장력은 강관부재(130)의 강도 저하를 초래할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 원형 강관 댐퍼(100)는 원통형의 강관부재(130)를 이용한 강재댐퍼를 형성함으로써 구성이 간단하며, 건축구조물(10)에 가해지는 외력을 효율적으로 감쇄시킬 수 있다.
10; 건축구조물
20; 철골프레임
30; 댐핑로드
40; 연결브라켓
100; 원형 강관 댐퍼
110; 상부캡
111; 제1 지지플레이트 112; 볼팅홀
113; 상부고정부재 114; 삽입홈
120; 하부소켓
121; 제2 지지플레이트 122; 하부고정부재
123; 고정홈
130; 강관부재
131; 상측삽입부 132; 하측삽입부
133; 나사결합부 134; 노출부

Claims (4)

  1. 건축구조물의 상부 또는 건축구조물의 상부로부터 연장되는 댐핑로드에 지지되는 상부캡과;
    상기 상부캡과 소정거리 이격되도록 상기 건축구조물의 하부 또는 건축구조물의 하부로부터 연장되는 댐핑로드에 지지되는 하부소켓과;
    상단이 상기 상부캡에 형성된 삽입홈에 끼움결합되고, 하단이 상기 하부소켓에 고정결합되는 원통형의 강관부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원형 강관 댐퍼.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부캡은 상기 건축구조물의 상부 또는 건축구조물의 상부로부터 연장되는 댐핑로드에 연결되는 연결브라켓에 결합되는 제1 지지플레이트와, 상기 제1 지지플레이트로부터 하방으로 돌출 형성되며 상기 삽입홈이 형성되어 있는 상부고정부재를 포함하고,
    상기 하부소켓은 상기 건축구조물의 하부 또는 건축구조물의 하부로부터 연장되는 댐핑로드와 연결되는 연결브라켓에 결합되는 제2 지지플레이트와, 상기 제2 지지플레이트로부터 상방으로 돌출형성되는 하부고정부재를 구비하며,
    상기 하부고정부재는 상단으로부터 하방으로 인입되어 상기 강관부재의 하부가 삽입되는 고정홈이 형성되되, 상기 고정홈의 하단부에는 상기 강관부재가 나사결합될 수 있도록 나사산이 형성되어 있고,
    상기 강관부재는 상기 고정홈의 하단에 나사결합되도록 하단부에 나사결합부가 형성된 것을 특징으로 하는 원형 강관 댐퍼.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 강관부재는 상기 상부고정부재의 삽입홈으로 삽입되는 상측삽입부와,
    상기 하부고정부재의 고정홈으로 삽입되고 하단부에 상기 나사결합부가 연결되는 하측삽입부와,
    상기 상측삽입부와 하측삽입부를 연결하며 상기 상부캡과 하부소켓 사이에 노출되는 노출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 원형 강관 댐퍼.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 강관부재는 외경과 상기 상부캡과 하부소켓 사이에 노출되는 노출부의 길이의 비가
    Figure pat00026
    인 것을 특징으로 하는 원형 강관 댐퍼.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105421613A (zh) * 2015-12-31 2016-03-23 中国地震局工程力学研究所 杆式调谐质量阻尼器减震装置
CN109058347B (zh) * 2018-02-05 2020-09-04 杭州富阳新远新能源有限公司 一种可变摩擦力阻尼器的汽车减震器
CN112681549A (zh) * 2020-12-14 2021-04-20 大连交通大学 一种消能减震扭转阻尼器

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